[发明专利]四轮独立转向电动车辆四轮转向-前/后轮转向动态切换方法

权利要求书

1.一种四轮独立转向电动车辆四轮转向-前/后轮转向动态切换方法，其特征在于：利用对四个独立车轮的运动轨迹进行“样条曲线-运动学-动力学”轨迹规划，实现4WIS电动车辆四轮转向与前/后轮转向之间的不停车平滑切换，具体步骤为：首先，将四个独立车轮之间分为主动轮与从动轮，主动轮和从动轮定义为两种形式：(1)定义四个车轮中某个车轮为主动轮，其它三个车轮为从动轮；(2)定义一个虚拟车轮为主动轮，四个车轮为从动轮；根据“样条曲线-运动学-动力学”轨迹规划方法的特点：主动轮的运动轨迹通过构造B样条曲线得到，从动轮的运动轨迹通过车辆的运动学及动力学约束求出，所述B样条曲线为三次样条曲线，构造三次样条曲线采用四个控制点，其中，构建曲线的基本控制点为切换前后的初始点与终止点及2个中间控制点，前轮转向时后车轮的转向角为零度，后轮转向时前车轮的转向角为零度；所述动力学约束为车辆在模式切换过程中车辆横摆角速度保持不变，运动学约束采用阿克曼几何原理，用动力学与运动学约束方程结合主动轮B样条轨迹方程计算出从动轮的运动轨迹；

所述主动轮B样条轨迹计算：

1)所述控制点的计算是根据双圆切线法求出：

两个圆心角为θ，半径为R的圆弧与线段的切点为P₁，P₂，P₃，P₄，设P₁(x₁,y₁)，P₂(x₂,y₂)，P₃(x₃,y₃)，P₄(x₄,y₄)，O₁(x₁,y₀₁)，O₂(x₄,y_o2)，

圆弧半径可以表示为：

R＝y₁-y_o1 (1)

可以求出P2的坐标为：

由(2)式可得O₂的纵坐标为：

y_o2＝y₄+y₁-y₀₁ (3)

根据式(3)可得P3的坐标为：

其中，应满足以下条件：

2)所述三次样条曲线的基函数为：

其中：u∈[0,1],i＝1,2,3,4

根据(6)式，所设计的B样条曲线的表达式为：

式(7)中，P_i,3(u)为样条曲线函数，P_i+k表示第i段B样条曲线的第k个控制点；F_i,3(u)为如式(6)所示的基函数；

3)通过式(1)-式(5)计算出B样条曲线的控制点，在此基础上结合式(6)、式(7)计算出主动轮的运动轨迹；

所述主动轮的定义有两种方式，两种方式的运动学及动力学动力学与运动学约束方程为：

方式1：定义四个车轮的某个车轮为主动轮，其他车轮为从动轮，根据阿克曼几何原理可得四个独立车轮转向角之间的运动学关系为：

动力学求解，u为车辆纵向速度(m/s)；v为车辆侧向速度(m/s)；l_a为车辆质心到前轴的距离(m)；l_b为车辆质心到后轴的距离(m)；r为车辆横摆角速度(rad/s)；ICR为瞬时转向中心(m)；β为质心侧偏角(rad)；δ₁、δ₂、δ₃、δ₄分别为左前轮、左后轮、右后轮、右前轮的转向角(rad)；C_αf、C_αr分别为前、后轮胎侧偏刚度(N/rad)；

4WIS车辆二自由度微分方程为：

式中，α₁、α₂、α₃、α₄分别为四个车轮的侧偏角，因为四轮转向角均很小，同时由于u>>Bγ/2，忽略Bγ/2，整理得各车轮轮胎侧偏角如下：

车辆的质心侧偏角为：

将式(9)～(11)代入(8)式中，整理得：

对于4WIS车辆，采用的控制策略为：(a)车辆稳定时质心偏转角β＝0；(b)稳态时横摆角速度γ保持恒定，由式(12)可得：

式(13)中k_fr为前、后轮转向角的比值；

假设δ₄为主动转，其它车轮为从动轮，由式(7)与式(13)可以写出主动轮与从动轮之间的运动学-动力学关系：

由式(14)可知，三个从动轮与主动轮之间的关系与车辆的几何尺寸、车速、轮胎的侧偏刚度密切相关，该方法中，主动轮δ₄利用B样条曲线进行运动规划，其它车轮的运动轨迹通过式(14)实时算出；

前轮转向模式切换到四轮转向模式时，δ₄的初始值是0度，即θ₁值，终点值即θ₂值，由方向盘的转角算出：

式中，k_λ为比例系数，Δδ为方向盘转角；

后轮转向模式切换到四轮转向模式时，δ₄的初始值，即θ₁值，为当前角度测量值，终点值即θ₂值，由式(15)算出；

四轮转向模式切换到后轮转向模式时，δ₄的初始值为当前角度测量值，终点值，即θ₂值，由式(15)算出；

四轮转向模式切换到前轮转向模式时，δ₄的初始值为当前角度测量值，终点值，即θ₂值，为零度；

方式2：定义虚拟轮为主动轮，其它四个车轮为从动轮，当采用虚拟车轮时，前、后轮转向的主动轮的位置分别为两前轮与两后轮的中点位置，虚拟轮的角度与四个车轮之间的角度关系满足阿克曼几何原理；

主动轮转向半径表示为：

式中，δ为虚拟轮的转向角；

因此，左侧车轮和右侧车轮转向半径可以表示为：

由式(16)和式(17)求出左侧车轮和右侧车轮的车轮转角：

前轮转向模式切换到四轮转向模式时，δ₄的初始值是0度，即θ₁值，终点值即θ₂值，由方向盘的转角算出：

式中，k_λ为比例系数，Δδ为方向盘转角；

后轮转向模式切换到四轮转向模式时，δ的初始值，即θ₁值，为当前角度测量值，终点值δ^obj，即θ₂值，由式(19)算出；

四轮转向模式切换到后轮转向模式时，δ的初始值为当前角度测量值，终点值，即θ₂值，由式(19)算出；

四轮转向模式切换到前轮转向模式时，δ的初始值为当前角度测量值，终点值，即θ₂值，为零度。